地震直後に消防庁長官を長とする消防庁災害対策本部（第3次応急体制）を設置し、消防庁職員を北海道各地に派遣した。胆振東部消防組合消防本部では、地震後に通信機材が被害を受け、119番通報が受信できない状態となった。警察からの転送や、職員が巡回するなどし被害の把握にあたった。総務省消防庁では、消防庁長官の求めにより東京消防庁と横浜市消防局が消防防災ヘリと隊員を派遣・川崎市消防局の緊急消防援助隊（航空小隊）、東北地方各県の防災ヘリ、統合機動部隊が出動、現地で救助活動を実施。なお発災直後に消防庁長官の求めにより、札幌市消防局の指揮支援隊が出動している。東京消防庁では、航空消防救助機動部隊を派遣。その後、地上部隊として消防救助機動部隊（救助小隊）など計26隊100名を派遣。その後、上空からの救助活動のため消防ヘリ「はくちょう」1機10名、後方支援活動のため特殊車両など合計5隊15名が派遣。部隊は、大洗港から苫小牧港までフェリーで向かった。東京消防庁の緊急消防援助隊は9日まで活動を行った。東北や関東の消防から派遣された緊急消防援助隊は9月6日から10日までで陸上544隊2,119名、航空46隊399名が活動し20名を救助した（被災地の消防や北海道内の応援消防部隊の実績を除く）。
総務省は大臣官房総務課に大臣官房長を長とする災害対策本部を設置し、自治体支援を実施した。また、北海道の179市町村に対し災害救助法を適用した。
地震発生直後、内閣府に災害対策室を設置。また、安倍晋三内閣総理大臣は総理大臣官邸で記者団にコメントを発表し、「政府として人命第一で政府一丸となって災害応急対応に当たる」と語った。
国土交通省では、災害対策本部会議を数度にわたって開催したほか、災害対策用ヘリコプターを3機派遣し情報収集を行った。また測量用航空機により上空からの撮影作業を実施し、緊急災害対策派遣隊も派遣した。
北海道は6日3時9分に本庁に災害対策本部を、および東京事務所に災害対策地方本部（全15地方本部）を設置、3時50分に災害派遣医療チーム（DMAT）の調整本部を設置した。また、6日に災害救助法施行令（昭和22年政令第225号）第1条第1項第4号の規定により、北海道内179市町村の区域を災害救助法（昭和22年法律第118号）による救助を実施する区域として指定する北海道告示第10802号を発出した。
気象庁は、緊急地震速報（警報）を、地震波検知から7.3秒後の3時8分12.6秒に北海道の道南および道央の2予報区にわたる4区域に対して、14.7秒後の3時8分20.0秒には北海道の道東および道北を加えた全4報区にわたる18区域ならびに青森県下北に対して発表。また、地方公共団体の防災対応を支援するためにJETT（気象庁防災対応支援チーム）を派遣すると、地震発生当日に発表した。
津軽海峡の海底下約100mの地中を穿って設けられたトンネルで、全長53.85 kmは交通機関用のトンネルとしては日本一および東洋一である。全長は約53.9kmであることからゾーン539の愛称があった。交通機関用トンネルとしては世界2位の長さであり、海底トンネルおよび狭軌のトンネルとしては世界一の長さと深さを持つ交通機関用トンネルである。海底部の総距離では英仏海峡トンネルが世界一の長さを持つ。 1988年3月13日に開通してから2016年6月1日にスイスのゴッタルドベーストンネルが開通するまでは、世界一の長さを持つ交通機関用トンネルでもあった。青函トンネルの木古内駅方には、非常に短いシェルターで覆われたコモナイ川橋梁、さらに長さ約1.2kmの第1湯の里トンネルが続き青函トンネルに一体化しており、これらを含めたトンネル状構造物の総延長は約55kmになる。なお、トンネルの最深地点には青色と緑色の蛍光灯による目印があったが、北海道新幹線の開業前に撤去された。青函トンネルを含む区間は当初在来線の「海峡線」として開業したが、当初より新幹線規格で建設されており、2016年3月26日から三線軌条を北海道新幹線が走行している。また、青函トンネルは通信の大動脈でもある。青函トンネルの中には開通当時の日本テレコム（のちソフトバンクテレコム、ソフトバンクモバイルを経て、現在のソフトバンク）と、KDDIが光ファイバーケーブルを敷設しており、北海道と本州を結ぶ電信・電話の重要な管路となっている。日本鉄道建設公団により建設工事が行われ、公団を引き継いだ独立行政法人鉄道建設・運輸施設整備支援機構がトンネルを所有している。トンネルを走行する列車を運行しているJR北海道は、機構に対してトンネルの使用料を払っている。その額は租税および管理費程度とされており、年額4億円である。また、トンネル内の鉄道敷設部分についてはJR北海道所有として整備されており、この部分の維持管理費は年間約8億円となっている。1999年度から改修事業が行われており、事業費のうち3分の2を国の補助金でまかない、3分の1をJR北海道が負担している。海底にあるため施設の老朽化が早く、線区を管轄するJR北海道にとって、青函トンネルの保守管理は大きな問題になっている。また、開業当初は、乗車券のみで乗れた青函連絡船の代替という意味もあり、主たる輸送が快速「海峡」にて行われ、特急「はつかり」は一部速達性を要する時間帯のみであったが、2002年12月1日の東北新幹線八戸開業に伴い列車体系が大幅に変更され、特急・急行列車のみとなった。2016年3月26日の北海道新幹線開業以降は、定期旅客列車は北海道新幹線のみとなっている。ちなみに、青函トンネルの中央部は、公海下の建造物ということで、開業前にその帰属および固定資産税の課税の可否が問題となったが、トンネル内には領土と同様に日本の主権が及ぶものと判断された。それに伴い各自治体へ編入され、固定資産税もそれに応じて課税されることとなった。全工程においての殉職者は34名。竜飛崎に殉職者の碑が建っている。